第二章 纤维的吸湿性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 纤维的吸湿性,研究吸湿性的意义,吸湿性影响纤维性能,亲水性纤维,天然纤维、再生纤维,疏水性纤维,合成纤维,吸湿性影响纤维的纺织加工性能,静电现象,吸湿性影响纺织品的使用舒适性,吸湿导汗,纤维吸湿性的研究内容,纤维的吸湿平衡（老知识）,纤维的吸湿热,纤维材料的吸湿速率,吸湿与纤维性能之间的关系,纤维的吸湿机理与理论,一、纤维的吸湿平衡,1.,吸湿平衡：,单位时间内从纤维制品中放出或蒸发出来的水分等于它吸收大气中的水分,是一种,动态,的吸湿和放湿的,平衡状态,吸湿与大气条件有关，标准大气条件：温度为,20,，相对湿度为,65%,吸湿的平衡,2.,表征吸湿性能的指标,回潮率,（,moisture regain,）,W,含水率,（,moisture percentage,）,M,标准回潮率,标准大气条件下（温度为,20,，相对湿度为,65%,）纤维的回潮率,便于比较不同纤维材料的吸湿性,公定回潮率,人为规定的回潮率,为了贸易中计量和核价的需要而制定,混合原料的公定回潮率,W-,各原料公定回潮率；,P-,各原料的干燥质量分数；,3.,纤维吸湿性的测试方法,直接法：,先称取湿重，再干燥去水获得干重,烘箱法,应用最多,存在难以完全脱水、物质挥发干重称量精度低等问题,红外线干燥法（远红外）,利用红外线加热，速度快，设备简单,易局部过热，使材料变质,高频加热干燥法,利用极性分子和水分子在高频电场下转向摩擦生热烘干，干燥均匀,真空干燥法,真空降低水的沸点,适用于不耐高温的纤维,吸湿剂干燥法（五氧化二磷粉末、氯化钙颗粒）,间接法：,利用纤维中含水率与纤维性能间关系的原理来测试,电阻测湿法,纤维回潮率不同，纤维的电阻不同,电容式测湿法,纤维回潮率不同，纤维的电容不同,微波吸收法,水和纤维材料对微波的吸收和衰减程度不同,红外光谱法,水对红外线吸收量与纤维材料含水量成比例,4.,纤维吸湿滞后性,定义：,同样的纤维在一定的大气温湿度条件下，从放湿达到平衡和从吸湿达到平衡时，两种平衡回潮率不相等，前者总是高于后者。,吸湿滞后性的原因,纤维吸湿滞后性的原因可以用水分子进入或离开纤维引起纤维干、湿结构的变化来解释。,水分子外逸后，纤维大分子间距离较大，横向结合键重建比水分子重新进入纤维困难，纤维达到平衡态的回潮率高,吸湿滞后,在某一相对湿度条件下，纤维由干态达到吸湿平衡,在某一相对湿度条件下，纤维由湿态达到吸湿平衡,纤维的吸湿等温线,在,一定的温度,条件下，纤维材料因吸湿达到,平衡回潮率,和大气,相对湿度,间的关系曲线，称为纤维的吸湿等温线（反,S,形）,天然及再生纤维的吸湿性能比合成纤维要好得多,1-,羊毛,2-,粘胶纤维,3-,蚕丝,4-,棉,5-,醋酯纤维,6-,锦纶,7-,腈纶,8-,涤纶,吸湿滞后圈,(,直观反映吸湿滞后性,),在一定温度条件下，纤维材料由放湿达到平衡回潮率和大气相对湿度间的关系曲线，称为,放湿等温线。,由于纤维的吸湿滞后性，同一种纤维的吸湿等温线与放湿等温线并不重合，而形成,吸湿滞后圈,吸湿滞后的差值与纤维的吸湿能力有关。一般规律是吸湿性大的纤维差值比较大,如图，若纤维在放湿过程中达到,a,点，平衡后再进行吸湿，其吸湿曲线是沿着虚线,ab,而变化。同样，若纤维的吸湿过程到达,c,点平衡后，再进行放湿，则其放湿曲线是沿着虚线,cd,而变化。,纤维的回潮率与纤维的吸放湿历史有关，试样需要预调湿。,二、纤维的吸湿热,纤维吸湿放热的原因：,当纤维吸收水分时，会产生热量，热是由于纤维分子与水分子之间的吸引而结合时水分子的动能降低而转换成热能被释放出来。,1.,吸湿热指标,吸湿微分热,Q,，也称为吸湿热,定义：是指在一定回潮率条件下，,1g,质量的水被质量为无限大的纤维材料吸收时产生的热量,单位为,/,从水蒸气中吸收水分时产生的热量为,Q,v,；从液态水中吸收时产生的热量为,Q,l,，两者间关系为,Q,v,=,Q,l,L,式中，,L,是在一定温度下，水蒸气凝聚时的潜热；,Q,l,为纤维的吸湿微分热,，有时称为膨胀热。,吸湿积分热,W,，也称为润湿热。,是指在一定回潮率条件下，,1g,质量干燥的纤维材料，达到完全润湿时所产生的热量,单位为,/g,微分热与积分热之间的关系,当回潮率增量,d,r,时，产生的热量为,Q,l,d,r,/100,。如将其从,r,积分到饱和回潮率,r,时，这就是,当回潮率为,r,时的积分热,，即,反之，如果回潮率减少,d,r,，则其所减少的热量也应该等于,Q,l,d,r,100,，或微分热,Q,l,等于,W,是,r,的函数（见下图）,积分热随回潮率变大减小,对微分热曲线求积分,2.,影响纤维吸湿热的因素,吸湿性能好的纤维，它的积分热高,纤维的积分热随纤维的回潮率提高而减少，在饱和时，积分热接近于零。纤维的微分热随回潮率增加而减少。,原因：,高回潮率条件下，水分子与纤维结合松弛，产热少 。,纤维吸湿积分热的大小与纤维上亲水基团的极性有关，具有相同亲水基团的纤维，其积分热也基本相同。,纤维吸湿放热的应用,纤维吸湿放热的特性,和衣着的舒适性有关,，吸湿热大，有,帮助人体调节体温,的作用，体现为有较好的保暖性。,但纤维吸湿放热这一特性对纤维材料的储存是不利的，如果仓库空气潮湿和通风不良，就会因吸湿放热而使纤维或织物变质发霉，甚至引起火灾。,3.,纤维吸湿热的测试方法,吸湿积分热的测量,将一已知质量的一定回潮率的纤维试样，放入一已知热容量的量热器中，并加过量的水，然后测量其上升的温度，根据上升的温度和测试系统的热容量，可以计算出积分热,吸湿微分热的测量,直接测量纤维的微分热是困难的，但可以测量与纤维微分热有关的其他性能，然后经换算得到。,量热器法：按积分热的测量方法，获得纤维的积分热,回潮率曲线，然后算出该纤维在任何给定回潮率时的微分热。,吸湿等温线法：利用在一系列不同温度下的纤维的吸湿等温线可以计算得到该纤维在不同回潮率时的微分热的一种方法。,纤维的吸湿微分热可以由在一定回潮率时,lnH,1/T,曲线的斜率求得,三、纤维材料的吸湿速率,1.,纤维吸湿的水分子扩散方程及其近似解,如果在一给定介质,(,如空气或纤维材料,),中水分子浓度各处是变化着的，则水分子将从高浓度区向低浓度区扩散或渗透，直到,水分子浓度分布均匀为止。,通过垂直于浓度梯度的平面，面积为,A,，扩散系数为,D,的质量转移速率，可由费克,(,Fich,),方程给出如下,浓度梯度，是水分子扩散的,推动力,，为负值,;,扩散速度，单位时间扩散通过的物质的量,;,D,为单位浓度梯度时，物质通过单位截面的扩散速度，,是物质的属性，表示物质的扩散能力。,当,t=0,时,无限源，浓度不变,接受体,为引入常数,对上式积分，由初始条件,t=0,c,=0,得到,对上式微分,受体中水汽浓度随时间变化情况,纤维材料以此速率吸湿，达到平衡需时间为,t=,时，,c=0.63c0,，,可表示纤维吸湿快慢,如图所示的水分通过空气长度为,l,到达吸湿材料的扩散系统。如果水分以初始速率扩散，整个平衡过程所需的时间,为,表明吸湿速率与浓度梯度、吸湿量、扩散系数、吸湿表面积、空气间隔的关系,2.,影响纤维材料吸湿平衡速率的主要因素,与吸湿平衡速率有关的因素：,扩散系数（水）,&,吸湿放热的驱散（纤维）,纤维材料吸湿平衡过程中回潮率、温度、蒸汽压力变化,初始：大气水蒸气压高水分子进入试样回潮率,吸湿放热温度,水蒸气压,当纤维的蒸汽压等于大气蒸汽压时为,“瞬态平衡”,，热量必须驱散吸湿才能进行。,热量驱散温度,水分子动能,水蒸气压,吸湿进行，补充水分子 保持压力不变，直到纤维温度与大气温度相同 。,上述过程中,吸湿产生的热量必须驱散,包装的尺寸和形状,:,包装尺寸,(,或体积,),大，热传递的距离越大，调湿越慢。表面积增加，热传递加快,包装密度,:,调湿平衡时间密度,纤维材料种类,:,不同纤维材料的吸湿性不同，达到平衡时吸收水分的质量和放出的热量不同。对平衡速率有较大影响。,回潮率,:,纤维试样在较低和较高回潮率时，其水分子扩散系数低，吸湿平衡较慢。,温度,:,高温时，热量的转移或驱散较迅速，平衡较快，低温时，吸湿平衡较慢。,空气流动,:,围绕纤维试样周围通风越好，热量散失越快，调湿平衡时间也越短。,外界条件,可控因素,四、吸湿与纤维性能间的关系,1.,对质量的影响,纤维吸湿后质量增加。,纤维或纺织制品的质量，实际上都是一定回潮率下的质量，因此正确表示纺织材料的质量或与质量有关的一些指标，如纤维或纱线的线密度，织物的平方米质量即面密度等，应取公定回潮率时的质量即标准质量。,2.,吸湿膨胀,纤维吸湿后，其纵向和横向均要发生膨胀，体积增大，其中,横向膨胀大而纵向膨胀小,。因此，织物吸水后，由于纱线直径变粗会使,织物产生收缩,；也会使柔软的,织物变得粗硬,，如粘胶纤维织物；如果密度很高的织物，吸湿后由于膨胀，可能成为,不透水织物,，如文泰尔防水织物。,纤维的膨胀值可用直径、长度、截面积和体积的膨胀率来表示。,吸湿膨胀的测量：体积膨胀率可表示为,V-,纤维膨胀后体积增量,V-,纤维原来的体积,W-,回潮率,-,纤维干燥时密度,-,纤维吸湿膨胀后密度,纤维直径和长度膨胀率可由显微镜和长度仪测量。,纤维的吸湿膨胀具有显著的各向异性,（由纤维结构各向异性造成）。,截面方向：,水分进入无定形区，分子间力打开，长链分子距离增加，直径增加。,径向：,水分子进入，非完全取向大分子构象变化，纤维长度略有增加。,羊毛在亚硫酸盐还原剂中的溶胀,3.,对纤维密度的影响,纤维在吸着少量水时，其体积变化不大，水分子吸附在纤维大分子间的孔隙，单位纤维体积质量随吸湿量的增加而增加，使纤维密度增加。大多数纤维在回潮率为,4%,6%,时密度最大。,待水分子充满孔隙后再吸湿，纤维体积显著膨胀，使纤维密度反而降低。,1-,棉,2-,粘胶纤维,3-,蚕丝,4-,羊毛,5-,锦纶,4,、对力学性能的影响,大多数纤维,强力随回潮率升高下降,，但,棉、麻纤维相反,；所有纤维断裂,伸长率随回潮率升高增加,。纤维塑性变形增大。,5,、对热、光、电学性能的影响,回潮率,导热系数,电阻介电常数,双折射形状双折射,五、纤维吸湿的影响因素（材料、环境）,1.,纤维材料本身对纤维吸湿的影响因素,亲水性基团：,羟基（,OH,）、羧基（,COOH,）、氨基（,NH2,）、酰胺基（,CNOH,）,结晶度：,水分不能进入纤维的结晶区，结晶度低吸湿能力好（棉,70%,、粘胶,30%,），晶粒小吸湿好（粘胶皮层回潮率,13-14%,，粘胶芯层回潮率,11-12%,）。,纤维比表面积和空隙：,比表面积大，表面能高，吸附能力强，吸湿好（直接吸收水，间接吸收水）空隙在高相对湿度时形成,毛细水,伴生物和杂质,2.,环境对纤维吸湿性的影响,相对湿度的影响,在一定温度条件下，,相对湿度越高,，空气中水汽分压力越大，单位体积空气中的水分子数目越多，纤维的,吸湿机会也较多,。,温度的影响,温度对纤维平衡回潮率的影响比相对湿度要小，其一般规律是,温度越高，平衡回潮率越低。,温度对棉纤维吸湿的影响,羊毛和棉的吸湿等湿线,空气流速的影响,当周围,空气流速快时,，有助于纤维表面被吸附水分子的蒸发，纤维的,平衡回潮率有所降低,。,应力的影响,纤维的吸湿膨胀意味着应力作用于纤维将会改变其平衡回潮率。当,拉应力,作用于长丝纤维时，纤维平衡回潮率增加,;,当横向,压应力,作用于纤维，其回潮率降低。,3.,吸湿理论,皮尔斯,(Peirce),理论,海尔伍德,(,Hailwood,),和霍洛宾,(,Horrobin,),理论,其他的纤维吸湿理论,皮尔斯,(Peirce),理论,(1929),理论提出的实验依据：纤维吸湿后模量呈指数下降。,纤维吸收的水分子分成两类,一类是,直接吸收水,，即水分子通过氢键直接与纤维大分子上的亲水基团结合在一起。,另一类是吸附在直接水分子上的,间接吸收水,。间接吸收水对纤维的物理机械性质影响不大，结合力较小，容易蒸发，它对纤维中水分的蒸发起主要作用。,C,为总吸着位置上具有的水分子的比数。其中，,Ca,为总吸着位置上直接吸着水分子的比数，,Cb,为总吸着位置上间接吸着水分子的比数，则有：,C= Ca+,Cb,当,C,增加,dC,时，其中直接吸着水分子的增量应与未被直接吸着水分子占据的位置数成正比，即,q,为比例常数，将上式积分得到,假设,q=1,，有,即,由回潮率定义：,r=,吸收水的质量,/,纤维干重,=,其中，,Mw,为水分子相对质量,=18,；,Mo,为,每一吸着位置,相应的纤维质量,=1/3,葡萄糖剩基质量,=54,；,k=,纤维质量,/,纤维中无定形区质量，,k1,，其引入表示纤维中的无定形区才能吸收水分。,由上式得出,皮尔斯两相理论的棉纤维回潮率分配,C,为,每个吸着位置,上的平均水分子数,水分的蒸发，与间接吸着水有关,P,为蒸汽压；,Po,为饱和蒸汽压；,P/Po,为相对湿度。,P/Po,增加,dP,/Po,，,Cb,增加,dCb,，且其只吸附于尚未有间接水分子的部位,对上式积分得,上式为相对湿度和吸湿之间的关系方程式。,为修正位置,（,1- P/Po,）的常数,考虑到有直接吸着水，但没有间接吸着水的位置上，也有一部分水分子会蒸发，为相对湿度的增加做贡献，这部分位置等于（,1- P/Po,），其上吸着的,直接吸着水分子,为,因此,K,为常数,间接水,直接水,将前面分析结果带入，得到,回潮率与相对湿度,的理论关系,K,可通过实验求得。,丝光棉的回潮率与相对湿度,的理论关系为,丝光棉的回潮率与相对湿度的关系,这里对于棉来说，,K=0.4,=5.4,海尔伍德,(,Hailwood,),和霍洛宾,(,Horrobin,),理论,假设一部分水分子与纤维结合在一起，其他的水分子则溶解于纤维，与纤维混合在一起，他们认为吸湿后的纤维是溶解水,(H,2,O,溶解,),、与水结合的纤维,(F-H,2,O),、未与水结合的纤维,(F),，三者混合在一起，形成一个简单的固体相物质。各物质浓度关系为：,溶解水与水蒸气存在平衡态,水蒸气浓度可代表相对湿度,H,为相对湿度,得到,K=K2/100,三种成分浓度比等于其摩尔比,（,1,）,（,2,）,（,3,）,由（,1,）得到,由（,2,）、（,3,）得到,纤维吸收总水分（包括溶解水与结合水）等于 ，纤维总分子数（与水结合及未与水结合的）等于 ，因此，纤维回潮率为,18,为水分子相对分子量；,M,为纤维每一亲水基团的相对分子量,（,4,）,（,5,）,上式可改写成,由（,4,）、（,5,）两式得,海氏理论与棉、毛纤维的实验值的比较,其他的纤维吸湿理论,斯毕克曼（,Speakman,）理论,(1944),三相理论：与角蛋白质侧链中亲水基团结合的水分子，称为第一相；吸着于主链上亲水基团的结合水分子为第二相；而在高湿条件下，附着于纤维的结合力较低的间接水分子或毛细水，称为第三相。,羊毛纤维的吸湿等温线的三相水,a,、,b,、,c,的分配,多层吸附理论,基于布鲁耐尔,(,Brunauer,),、埃米特,(Emmett),和泰勒,(Teller)(1944),在蓝缪尔,(Langmuir),的单分子层吸附理论的基础上提出了多层吸附理论，得到,B.E.T.,方程能够描述反,S,形的纤维吸湿等温线。,单分子层吸附理论,假设,a),单分子层吸附；,b),相邻被吸附分子间没有作用力；,c),表面各处吸附能力相同；,d),吸附是动态平衡。,解吸速度,=K,1,其中，,为任一瞬间已吸附气体的固体表面对固体总表面的分数；,1-,为未吸附气体的表面积占总面积的分数。,K,1,为一定温度时的比例常数。,吸附速度,=,K,2,P,（,1-,）,K,2,为一定温度下的比例常数；,P,为气体压力（吸附速度与单位时间内碰撞单位面积上气体的分子数有关）,吸附平衡有：吸附速度,=,解析速度,即,K,1,=K,2,P,（,1-,）,=,K,2,P/(K,1,+K,2,P),兰缪尔等温方程,用于化学吸附或溶液中吸附较大分子（如染料），效果满意，但其它情况与实验结果不符。,多分子层吸附理论是对兰缪尔理论的扩充和提高，认为被吸附物分子也有引力，允许形成多分子层。如图：,推导出二常数公式,（,B.E.T.,方程）,式中：,P,为被吸附气体的平衡压力；,P,0,为同温度下该气体的液相饱和蒸汽压；,C,为与吸附热和液化热有关的常数；,Vm,为,1Kg,固体表面形成单分子层所需气体体积。,a-,溶解理论,b-B.E.T.,等温线,c-,蓝米尔等温线,吸湿等温线的比较,溶解理论,是巴勒提出认为水分子和纤维大分子混合在一起形成一种理想的固溶体，得出的一个吸湿的溶解理论。,六、亲水性合成纤维,合成纤维亲水化的原理,要赋予合成纤维类似天然纤维的亲水性能，就必须使合成纤维具有类似天然纤维的亲水结构。,受天然纤维结构研究的启发，,疏水性合成纤维亲水化有两个途径：,要在纤维中引入各种亲水基团，通过他们建立氢键与水分子结合，使水分子失去热运动的能力，暂时留存在纤维中。,要使纤维中出现孔隙、微孔、裂缝，以增加纤维的比表面积，通过表面能效应吸附水分子，同时又可以通过毛细管效应吸附和传递水分。,合成纤维亲水化的方法,化学改性方法,纤维大分子结构的亲水化（共聚）,与亲水性物质的接枝共聚（蛋白纤维）,纤维表面亲水处理,物理改性方法,与亲水性物质共混或复合,纤维结构微孔化,纤维截面异形化和表面粗糙化,习题,名词解释：直接水，间接水，吸湿积分热，吸湿微分热，吸湿平衡,说明什么是吸湿滞后性，并从吸湿机理上加以解释,写出水扩散模型中受体浓度随时间变化的规律表达式,c(t,),，分析各量含义，重点说明为什么,可以表达纤维吸湿的快慢,何为瞬变平衡？它他生在纤维吸湿过程的什么阶段？为什么纤维在自身内部蒸汽压与大气蒸汽压相等条件下仍能吸湿？,影响纤维材料吸湿速率的主要因素有哪些？,吸湿会使纤维的那些性能产生变化？,简述,Peirce,吸湿理论的思路？,根据吸湿的基本机制，讨论改善纤维亲水性和吸湿性的方法？,